KR100755368B1 - 3차원 구조를 갖는 반도체 소자의 제조 방법들 및 그에의해 제조된 반도체 소자들 - Google Patents

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Abstract

3차원 구조를 갖는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 활성영역에 해당하는 제1 영역과 필드영역 또는 스크라이브 레인 영역에 해당하는 제2 영역을 갖는 제1 반도체 기판을 준비하는 것을 구비한다. 상기 제1 반도체 기판의 상기 제1 영역에 하부 개별소자를 형성하고, 상기 하부 개별소자 및 상기 제1 반도체 기판 상에 절연층을 형성한다. 상기 절연층을 관통하여 상기 제2 영역 내의 상기 제1 반도체 기판에 접촉하는 열전도성 플러그를 형성한다. 제2 반도체 기판 내로 불순물 이온들을 주입하여 손상층을 형성한다. 상기 손상층은 상기 제2 반도체 기판을 표면층 및 벌크층으로 한정한다. 상기 절연층 및 상기 열전도성 플러그를 상기 표면층에 본딩시킨다. 상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키어(delaminate) 상기 표면층을 노출시킨다. 상기 노출된 표면층을 큐어링하여(cure) 단결정 반도체층을 형성한다. 상기 방법에 의해 제조된 반도체 소자 또한 제공된다.

Description

3차원 구조를 갖는 반도체 소자의 제조 방법들 및 그에 의해 제조된 반도체 소자들{Methods of manufacturing a semiconductor device having a three dimesional structure and semiconductor devices fabricated thereby}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 공정 흐름도(process flowchart)이다.
도 2 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법들을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조방법들 및 그에 의해 제조된 반도체 소자들에 관한 것으로, 특히 3차원 구조를 갖는 반도체 소자의 제조방법들 및 그에 의해 제조된 반도체 소자들에 관한 것이다.
반도체 소자들은 하나의 반도체 기판 상에 형성된 트랜지스터들, 커패시터들 및 저항체들와 같은 개별소자들(discrete devices)로 구성될 수 있다. 상기 개별소자들은 사진 공정, 식각 공정, 박막증착 공정(film deposition process) 및 확산 공정과 같은 여러 가지의 단위 공정들(unit processes)을 사용하여 형성된다. 특 히, 상기 사진공정은 상기 개별소자들의 크기를 한정하기 위한 단위 공정에 해당한다. 따라서, 상기 반도체 소자들의 집적도는 상기 사진공정과 밀접한 관계를 가질 수 있다. 그러나, 상기 사진공정을 사용하여 반도체 소자들의 집적도를 증가시키는 데 한계가 있을 수 있다.
상기 반도체 소자들의 집적도를 증가시키기 위하여 3차원 구조를 갖는 반도체 소자들이 제안된 바 있다. 상기 3차원 반도체 소자들(three dimensional semiconductor device)은 단결정 반도체 기판(single crystalline semiconductor substrate)을 바디층으로 사용하여 형성된 벌크 트랜지스터들과 같은 제1 개별소자들과, 상기 제1 개별소자들을 갖는 기판 상에 적층된 박막 트랜지스터들과 같은 제2 개별소자들을 포함할 수 있다. 상기 박막 트랜지스터들은 상기 벌크 트랜지스터들을 갖는 기판 상에 적층된 얇은 반도체층을 바디층으로 사용하여 형성된다. 상기 바디층은 비정질 반도체층 또는 다결정 반도체층일 수 있다. 이 경우에, 상기 박막 트랜지스터들의 전기적 특성은 상기 벌크 트랜지스터들의 전기적 특성에 비하여 불량(poor)할 수 있다. 이는 상기 벌크 트랜지스터들의 바디층 역할을 하는 상기 단결정 반도체 기판 내에서의 캐리어 이동도(carrier mobility)가 상기 박막 트랜지스터들의 바디층 역할을 하는 상기 다결정 반도체층 내에서의 캐리어 이동도보다 크기 때문이다.
상기 박막 트랜지스터들을 갖는 반도체소자들의 제조방법들이 미국특허 제 6,022,766호에 "박막 트랜지스터들을 갖는 반도체 구조체 및 그 제조방법들(Semiconductor structure incorporating thin film transistors and methods for its manufacture)"라는 제목으로 첸 등(Chen et al.)에 의해 개시된 바 있다. 첸 등에 따르면, 단결정 실리콘 기판에 통상의 벌크 트랜지스터가 형성되고, 상기 벌크 트랜지스터의 상부에 박막 트랜지스터가 적층된다. 상기 박막 트랜지스터의 바디층은 상기 벌크 트랜지스터를 갖는 반도체기판의 전면 상에 비정질 실리콘층을 형성하고 상기 비정질 실리콘층을 열처리 공정을 통하여 결정화시킴으로써 제조된다. 이 경우에, 상기 바디층은 큰 그레인들을 갖는 폴리실리콘층에 해당한다. 결과적으로, 상기 박막 트랜지스터를 상기 벌크 트랜지스터에 상응하는 전기적인 특성을 갖도록 형성하기가 어렵다. 따라서, 상기 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키기 위한 방법들이 지속적으로 요구된다.
이에 더하여, 상기 바디층 및 상기 바디층에 형성된 박막 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자의 제조방법들이 미국특허 제6,423,614호에 "비열처리 기술을 사용하여 박막을 분리시키는 방법(method of delaminating a thin film using non-thermal techniques)"라는 제목으로 도일(Doyle)에 의해 개시된 바 있다. 상기 미국특허 제6,423,614호에 따르면, 제1 기판 상에 반도체층 및 제1 산화층을 형성하고, 제2 기판 상에 제2 산화층 및 금속층을 차례로 형성한다. 상기 제2 기판의 금속층은 상기 제1 기판의 상기 제1 산화층에 본딩된다. 상기 제1 기판을 상기 제2 기판으로부터 분리시키어(delaminate) 상기 제2 기판의 상기 금속층 상에 상기 제1 산화층 및 상기 반도체층을 남긴다. 상기 반도체층을 화학기계적 연마 공정을 사용하여 평탄화시키고 상기 평탄화된 반도체층을 바디층으로 사용하여 박막 트랜지스터를 형성한다. 상기 박막 트랜지스터를 갖는 기판을 약 400℃의 저온 및 수소 분 위기 하에서 열처리하여 상기 제1 산화층으로부터 상기 금속층 및 상기 제2 산화층을 갖는 제2 기판을 분리시킨다(delaminate). 이어서, 상기 박막 트랜지스터와 접촉하는 상기 제1 산화층을 벌크 트랜지스터들을 갖는 제3 기판에 본딩시킨다.
상술한 바와 같이 상기 미국특허 제6,423,614호에 따르면, 벌크 트랜지스터를 갖는 기판 상에 박막 트랜지스터를 형성하기 위하여, 서로 다른 2회의 분리 공정(two different delamination processes) 및 서로 다른 2회의 본딩 공정이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 1회의 본딩 공정(a single bonding process) 및 1회의 분리 공정(a single delamination process)을 사용하여 3차원 반도체 소자(three dimensional semiconductor device)를 제조하는 방법들을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 고온 열처리 공정(high temperature annealing process)을 사용하여 단결정 반도체 바디층을 형성하는 동안 상기 단결정 반도체 바디층 하부의 개별소자의 열화(degradation)를 방지할 수 있는 3차원 반도체 소자의 제조방법들을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고온 열처리 공정을 사용하여 단결정 반도체 바디층을 형성하는 동안 상기 단결정 반도체 바디층 하부의 개별소자가 열화되는 것을 방지하기에 적합한 3차원 반도체 소자들(three dimensional semiconductor device)을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 열전도성 플러그(heat conductive plug)를 갖는 3차원 반도체 소자의 제조방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 반도체 기판에 하부 개별소자를 형성하는 것과, 상기 하부 개별소자 및 상기 제1 반도체 기판을 덮는 절연층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 절연층을 관통하여 상기 제1 반도체 기판에 접촉하는 열전도성 플러그를 형성한다. 제2 반도체 기판 내로 불순물 이온들을 주입하여 손상층을 형성한다. 상기 손상층은 상기 제2 반도체 기판을 표면층 및 벌크층으로 한정한다. 상기 절연층 및 상기 열전도성 플러그를 상기 표면층에 본딩시킨다. 상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키어(delaminate) 상기 표면층을 노출시킨다. 상기 노출된 표면층을 큐어링하여(cure) 단결정 반도체층을 형성한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 하부 개별소자는 상기 제1 반도체 기판을 바디층으로 사용하여 형성된 벌크 트랜지스터를 구비할 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 열전도성 플러그는 금속막 또는 다결정 반도체막으로 형성할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 열전도성 플러그는 상기 제1 반도체 기판의 필드 영역 또는 스크라이브 레인 영역 내에 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 절연층을 상기 표면층에 본딩시키는 것은 100℃ 내지 600℃의 제1 온도에서 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키는 것은 200℃ 내지 900℃의 제2 온도에서 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높을 수 있다. 상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키는 것은 대기(air) 및/또는 질소 가스 내에서 실시될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 노출된 표면층을 큐어링하는 것은 상기 노출된 표면층을 전면식각하는 것과(blanket-etching), 상기 전면식각된(blanket-etched) 표면층을 열처리하여 상기 전면식각된 표면층 내의 상기 불순물 이온들을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 상기 전면식각은 건식식각 기술, 습식식각 기술 또는 화학기계적 연마 기술을 사용하여 실시할 수 있고, 상기 전면식각된 표면층을 열처리하는 것은 상기 전면식각된 표면층을 600℃ 내지 1200℃의 온도로 가열하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 노출된 표면층을 큐어링하는 것은 상기 노출된 표면층의 표면을 희생산화시키는 것과(sacrificially oxidizing), 상기 희생산화막을 제거하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 노출된 표면층을 큐어링하는 동안 상기 제1 반도체 기판은 냉각 스테이지에 의해 냉각될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 열전도성 플러그를 갖는 3차원 반도체 소자가 제공된다. 상기 반도체 소자는 반도체 기판 및 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부 개별소자를 포함한다. 상기 하부 개별소자 및 상기 반도체 기판을 덮도록 절연층이 제공된다. 상기 반도체 기판은 상기 절연층을 관통하는 열전도성 플러그와 접촉한다. 상기 열전도성 플러그 및 상기 절연층 상에 단결정 반도체층이 제공된 다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 하부 개별소자는 상기 반도체 기판을 바디층으로 사용하여 형성된 벌크 트랜지스터일 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 열전도성 플러그는 금속 플러그 또는 다결정 반도체 플러그일 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 열전도성 플러그는 상기 반도체 기판의 필드 영역 또는 스크라이브 레인에 접촉할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 단결정 반도체층을 바디층으로 사용하여 형성된 상부 개별소자가 제공될 수 있다. 상기 상부 개별소자는 박막 트랜지스터일 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 이에 더하여, 명세서 전체에 걸쳐서 "반도체 기판에 형성된다"라는 표현은 "반도체 기판 내에 및/또는 반도체 기판 상에 형성된다"라는 표현에 해당할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법들을 도시한 공정 흐름도(process flowchart)이고, 도 2 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법들을 도시한 단면도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 반도체 기판(1)에 벌크 트랜지스터와 같은 하부 개별소자(lower discrete device; 3)를 형성한다(도 1의 단계 11). 상기 벌크 트랜지스터는 상기 제1 반도체 기판(1)을 바디층으로 사용하여 형성될 수 있다. 상기 제1 반도체 기판(1)은 제1 및 제2 영역들(A, B)을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역(A)은 필드 영역 또는 스크라이브 레인 영역에 해당할 수 있고, 상기 제2 영역(B)은 활성영역에 해당할 수 있다. 이 경우에, 상기 하부 개별소자(3)는 상기 제2 영역(B) 즉, 상기 활성영역에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 하부 개별소자(3)는 커패시터 또는 저항체일 수 있다. 이와는 달리, 상기 하부 개별소자(3)는 상기 제1 반도체 기판(1)에 형성된 벌크 트랜지스터 및 상기 벌크 트랜지스터 상부에 적층된 커패시터 또는 저항체를 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 하부 개별소자(3)를 갖는 기판 상에 절연층(5)을 형성한다(도 1의 단계 13).
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 절연층(5)을 패터닝하여 상기 제1 반도체 기판(1)의 소정영역을 노출시키는 콘택홀(5a)을 형성한다. 상기 콘택홀(5a)은 상기 제1 반도체 기판(1)의 상기 제1 영역(A)을 노출시키도록 형성될 수 있다. 이어서, 상기 콘택홀(5a) 내에 통상의 방법을 사용하여 열전도성 플러그(heat conductive plug; 7)를 형성한다(도 1의 단계 15). 상기 열전도성 플러그(7)는 상기 절연층의 열전도도(heat conductivity) 보다 높은 열전도도를 갖는 금속막 또는 반도체막으 로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 열전도성 플러그(7)는 텅스텐막 또는 백금막과 같은 고융점(high melting point)을 갖는 금속막으로 형성하거나 다결정 실리콘막으로 형성할 수 있다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 반도체 기판(51)을 준비한다. 상기 제2 반도체 기판(51)은 단결정 실리콘 기판과 같은 단결정 반도체 기판일 수 있다. 상기 제2 반도체 기판(51) 내로 불순물 이온들(53)을 주입하여 상기 제2 반도체 기판(51) 내에 손상층(damaged layer; 51d)을 형성한다. 상기 손상층(51d)은 상기 제2 반도체 기판(51)의 표면으로부터 일정 깊이(a specific depth)에 위치하도록 형성된다. 그 결과, 상기 제2 반도체 기판(51)은 상기 손상층(51d)에 의해 표면층(51s) 및 벌크층(51b)으로 나뉘어질 수 있다(도 1의 단계 17).
상기 손상층(51d)을 형성하기 위한 상기 불순물 이온들(53)은 수소 이온들일 수 있다. 상기 수소 이온들은 약 1×1016 atoms/㎠ 내지 1×1017 atoms/㎠의 도우즈로 주입될 수 있다. 이 경우에, 상기 수소 이온들은 미국특허 제6,423, 614호에 기재된 바와 같이 상기 손상층(51d) 내의 반도체 원자들(semiconductor atoms) 사이의 결합력(bonding energy)을 약화시킨다. 예를 들어, 상기 제2 반도체 기판(51)이 실리콘 기판인 경우에, 상기 수소 이온들은 상기 실리콘 기판 내의 실리콘 원자들 사이의 결합력을 약화시킨다. 상기 표면층(51s)의 두께는 상기 불순물 이온들(53)의 이온주입 에너지에 따라 결정될 수 있다. 즉, 상기 불순물 이온들(53)의 이온주입 에너지가 증가하면, 상기 표면층(51s)의 두께 역시 증가한다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 제1 반도체 기판(1) 상의 상기 절연층(5) 및 상기 제2 반도체 기판(51)의 상기 표면층(51s)에 표면처리 공정(surface treatment process; 55)을 적용하여 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들을 활성화시킬 수 있다(도 1의 단계 19). 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들의 활성화는 후속 공정에서 실시되는 본딩 공정 동안 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 접착력을 증가시키기 위함이다.
상기 표면처리 공정(55)은 플라즈마 처리 공정을 사용하여 실시될 수 있다. 상기 플라즈마 처리 공정은 불활성 가스 또는 산소 가스를 플라즈마 소스 가스로 사용하여 실시될 수 있다. 상기 불활성 가스로는 질소 가스 또는 아르곤 가스가 사용될 수 있다. 상기 플라즈마 처리 공정을 실시하면, 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들에 수산기들(hydroxyl groups; -OH)이 결합되어(bonded) 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들을 친수성(hydrophilic) 표면들로 변환시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 표면처리 공정(55)은 습식 공정을 사용하여 실시될 수 있다. 구체적으로, 상기 습식 공정은 세정용액(cleaning solution)을 사용하여 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들 상에 존재하는 파티클들 (particles)또는 오염물질(contaminant)을 제거하는 것과 상기 세정된 절연층(5) 및 상기 세정된 표면층(51s)의 표면들에 불산(hydrofluoric acid; HF)을 공급하여 상기 세정된 절연층(5) 및 상기 세정된 표면층(51s)의 표면들을 활성화시키는 것을 포함할 수 있다. 이 경우에도, 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들에 수 산기들(hydroxyl groups; -OH)이 결합되어(bonded) 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 표면들을 친수성(hydrophilic) 표면들로 변환시킨다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 상기 절연층(5)을 상기 표면층(51s)에 본딩시킨다(도 1의 단계 21). 상기 본딩 공정은 100℃ 내지 600℃의 제1 온도에서 진행되는 열처리 공정(57)을 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 상기 절연층(5) 및 표면층(51s)의 표면들을 활성화시킨 후에 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)을 서로 본딩시키면, 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)에 결합된 상기 수산기들(-OH)이 서로 반응하여 상기 절연층(5) 및 상기 표면층(51s)의 접착력을 증가시킬 수 있다. 상기 본딩 공정 동안 상기 수산기들의 반응에 의해 수분(H2O)이 발생될 수 있고, 상기 수분은 대기 중으로 증발되어 제거될 수 있다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 상기 본딩된 절연층(5) 및 표면층(51s)을 갖는 기판들을 200℃ 내지 900℃의 제2 온도에서 열처리(59)하여 상기 벌크층(51b)을 상기 표면층(51s)으로부터 분리(delaminate)시킨다(도 1의 단계 23). 상기 제2 온도는 상기 본딩 공정의 상기 제1 온도보다 높을 수 있다. 상기 열처리 공정(59)은 대기(air) 및/또는 질소 가스 분위기 하에서 실시될 수 있다. 상기 열처리 공정(59)이 진행되면, 상기 손상층(51d) 내의 수소 이온들이 서로 반응하여 상기 손상층(51d)을 따라서 크랙(crack)을 발생시킨다. 그 결과, 상기 벌크층(51b)이 상기 표면층(51s)으로부터 분리(detach)되어 상기 표면층(51s)의 표면(51f)이 노출될 수 있다.
상기 열처리 공정(59) 후에 노출되는 상기 표면층(51s)의 표면(51f)은 거칠 거나 굴곡진(uneven) 프로파일을 보일 수 있다. 이에 더하여, 상기 표면층(51s) 상에 상기 손상층(51d)의 일부가 잔존할 수 있고, 상기 손상층(51d)은 결정결함을 가질 수 있다. 따라서, 상기 표면층(51s)의 전기적 특성을 개선하기 위해서는 상기 표면층(51s)의 일 부를 제거하는 것이 요구될 수 있다. 더 나아가서, 도 5를 참조하여 설명된 상기 불순물 이온주입 공정 동안 주입된 불순물 이온들(53)의 일부가 상기 노출된 표면층(51s) 내에 잔존할 수 있다. 이러한 불순물 이온들(53)은 상기 표면층(51s)의 전기적 특성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 표면층(51s) 내의 상기 불순물 이온들(53)은 후속 공정에서 제거되는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 상기 표면층(51s)을 전면식각하여 평평한 표면(51f')을 갖는 표면층(51s')을 형성한다(도 1의 단계 25a). 상기 표면층(51s)을 전면식각하는 것은 습식식각 기술, 건식식각 기술 또는 화학기계적 연마 기술을 사용하여 실시할 수 있다. 이 경우에, 상기 표면층(51s) 상에 잔존하는 손상층(51d)이 제거될 수 있으므로, 상기 평평한 표면층(51s')의 전체영역은 단결정 구조를 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 평평한 표면층(51s') 내에 상기 불순물 이온들(53)이 여전히 잔존할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 전면식각 대신에, 상기 노출된 표면층(51s)을 희생 산화시키고(sacrificially oxidize; 도 1의 단계 25b) 상기 희생산화막(sacrificial oxide layer)을 제거하여 평평한 표면층(51s')을 형성할 수 있다(도 1의 단계 27b).
도 1 및 도 10을 참조하면, 상기 평평한 표면층(51s')을 갖는 기판을 냉각 스테이지(100) 상에 로딩시킬 수 있다. 상기 냉각 스테이지(100)는 그 내부에 냉각 매체(cooling medium)가 흐르는 순환 배관(circulation conduit; 도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 냉각 매체가 상기 순환배관을 통하여 흐를 때, 상기 냉각 스테이지(100) 상의 상기 기판은 냉각될 수 있다. 이어서, 상기 평평한 표면층(51s')에 열처리 공정(61)을 적용하여 상기 평평한 표면층(51s') 내의 불순물 이온들을 제거한다(도 1의 단계 27a). 상기 열처리 공정(61)은 상기 평평한 표면층(51s')이 약 600℃ 내지 1200℃의 고온을 갖도록 진행한다. 그 결과, 상기 평평한 표면층(51s')은 불순물 이온들 없는 단결정 반도체층(51s"), 즉 큐어링된 표면층으로 변환(convert)될 수 있다. 상기 열처리 공정(61)은 질소 가스, 수소 가스 또는 산소 가스 분위기 내에서 진행될 수 있다. 상기 열처리 공정(61) 동안 상기 평평한 표면층(51s') 내에 잔존하는 결정결함들 역시 제거될 수 있다.
상기 희생산화 공정(sacrificial oxidation process) 및 상기 희생산화막의 제거 공정(removal process of the sacrificial oxide layer)가 진행되는 경우에, 상기 열처리 공정(61)을 생략할 수도 있다. 이는, 상기 희생산화 공정이 약 900℃ 보다 높은 고온에서 진행되는 경우에 상기 표면층(51s) 내의 불순물 이온들이 제거될 수 있기 때문이다.
상기 전면식각 단계(25a), 상기 열처리 단계(27a), 상기 희생산화 단계(25b) 및 상기 희생산화막 제거 단계(27b)는 상기 표면층(51s)을 큐어링하는 단계(도 1의 26)에 해당한다.
상기 평평한 표면층(51s')을 가열시키기 위한 상기 열처리 공정(61)은 열처 리 방식에 있어서 도 7 및 도 8을 참조하여 설명된 열처리 공정들(57, 59)과는 다를 수 있다. 즉, 상기 열처리 공정들(57, 59)은 기판을 둘러싸는 대기의 온도를 증가시키는 열처리 공정인 데 반하여, 상기 열처리 공정(61)은 상기 평평한 표면층(51s')을 선택적으로 가열시키기 위한 열처리 공정일 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리 공정들(57, 59)은 퍼니스(furnace)를 사용하는 열처리 공정일 수 있고, 상기 열처리 공정(61)은 할로겐 램프 또는 레이저를 사용하여 가열광(heating light)을 상기 평평한 표면층(51s') 상에 선택적으로 조사시키는 열처리 공정일 수 있다.
상기 열처리 공정(61) 동안 상기 평평한 표면층(51s')이 가열되면, 상기 평평한 표면층(51s')으로부터의 열이 상기 절연층(5)을 통하여 상기 하부 개별소자(3), 예컨대 벌크 트랜지스터에 전달될 수 있다. 이 경우에, 상기 벌크 트랜지스터가 열화되어 불량한 전기적 특성들(poor electrical characteristics)을 보일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 상기 평평한 표면층(51s')은 상기 열전도성 플러그(7)를 통하여 상기 제1 반도체 기판(1)에 물리적으로 접속된다. 따라서, 상기 열처리 공정(61) 동안 상기 평평한 표면층(51s')으로부터의 열은 도 10의 화살표(H)로 표시된 바와 같이 상기 절연층(5) 보다는 오히려 상기 열전도성 플러그(7)를 통하여 상기 제1 반도체 기판(1)으로 전달될 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 상기 열전도성 플러그의 열전도도가 상기 절연층(5)의 열전도도보다 높기 때문이다. 이 경우에, 상기 제1 반도체 기판(1)은 방열기(heat radiator)의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 상기 열처리 공정(61)을 실시할지라도, 상기 하부 개별소자(3)가 열화되는 것을 경감시킬 수 있다. 더 나아가서, 상기 열처리 공정(61)이 진행되는 동안 상기 냉각 스테이지(100)가 동작하는 경우에, 상기 열전도성 플러그(7)의 열전달 효율이 개선되어 상기 하부 개별소자(3)의 열화를 더욱 억제시킬 수 있다.
도 1 및 도 11을 참조하면, 상기 큐어링된 표면층(51s"), 즉 상기 단결정 반도체층을 갖는 기판을 상기 냉각 스테이지(100)로부터 언로딩시키고, 상기 단결정 반도체층(51s")을 바디층으로 사용하여 상부 개별소자(63)를 형성할 수 있다(도 1의 단계 29). 상기 상부 개별소자(63)는 박막 트랜지스터일 수 있다.
이제, 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기로 한다.
도 11을 다시 참조하면, 제1 및 제2 영역들(A, B)을 갖는 반도체 기판(1)이 제공된다. 상기 제1 영역(A)은 필드 영역 또는 스크라이브 레인 영역에 해당할 수 있고, 상기 제2 영역(B)은 활성영역에 해당할 수 있다. 상기 반도체 기판(1)의 상기 제2 영역(B) 상에 하부 개별소자(3)가 제공된다. 상기 하부 개별소자(3)는 벌크 트랜지스터, 커패시터 및 저항체중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 하부 개별소자(3)가 상기 벌크 트랜지스터인 경우에, 상기 벌크 트랜지스터는 상기 반도체 기판(1)을 바디층으로 사용하여 형성된 모스 트랜지스터 또는 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
상기 하부 개별소자(3) 및 상기 반도체 기판(1)은 절연층(5)으로 덮여진다. 상기 반도체 기판(1)은 상기 절연층(5)을 관통하는 열전도성 플러그(7)와 접촉한다. 상기 열전도성 플러그(7)는 상기 반도체 기판(1)의 제1 영역(A)과 접촉할 수 있다. 또한, 상기 열전도성 플러그(7)는 상기 절연층(5)의 열전도도 보다 높은 열 전도도를 갖는 플러그일 수 있다. 예를 들면, 상기 열전도성 플러그(7)는 텅스텐 플러그 또는 백금 플러그와 같은 금속 플러그일 수 있다. 이와는 달리, 상기 열전도성 플러그(7)는 다결정 실리콘 플러그와 같은 반도체 플러그일 수도 있다.
상기 절연층(5) 상에 단결정 반도체층(51s")이 적층된다. 상기 단결정 반도체층(51s")은 상기 열전도성 플러그(7)와 접촉한다. 상기 단결정 반도체(51s") 상에 상부 개별소자(63)가 제공될 수 있다. 상기 상부 개별소자(63)는 박막 트랜지스터일 수 있다. 이 경우에, 상기 박막 트랜지스터는 상기 단결정 반도체층(51s")을 바디층으로 사용하여 제작된 모스 트랜지스터 또는 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, 하부 개별소자들을 갖는 반도체 기판 상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층 내에 상기 반도체 기판과 접촉하는 열전도성 플러그를 형성한다. 이에 따라, 상기 절연층 상에 단결정 반도체층을 형성하기 위한 고온 열처리 공정이 진행될지라도, 상기 고온 열처리 공정으로부터의 열이 상기 열전도성 플러그를 통하여 상기 반도체기판으로 전달될 수 있다. 결과적으로, 상기 고온 열처리 공정을 실시할지라도, 상기 하부 개별소자들이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (23)

  1. 활성영역에 해당하는 제1 영역과 필드영역 또는 스크라이브 레인 영역에 해당하는 제2 영역을 갖는 제1 반도체 기판을 준비하고,
    상기 제1 반도체 기판의 상기 제1 영역에 하부 개별소자를 형성하고,
    상기 하부 개별소자 및 상기 제1 반도체 기판을 덮는 절연층을 형성하고,
    상기 절연층을 관통하여 상기 제2 영역 내의 상기 제1 반도체 기판에 접촉하는 열전도성 플러그를 형성하고,
    제2 반도체 기판 내로 불순물 이온들을 주입하여 손상층을 형성하되, 상기 손상층은 상기 제2 반도체 기판의 표면층 및 벌크층을 한정하고,
    상기 절연층 및 상기 열전도성 플러그를 상기 표면층에 본딩시키고,
    상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키어(delaminate) 상기 표면층을 노출시키고,
    상기 노출된 표면층을 큐어링하여(cure) 단결정 반도체층을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 개별소자는 상기 제1 반도체 기판을 바디층으로 사용하여 형성된 벌크 트랜지스터를 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 플러그는 금속막 또는 반도체막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물 이온들은 수소 이온들인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층을 상기 표면층에 본딩시키기 전에, 표면처리(surface treatment) 공정을 사용하여 상기 절연층 및 상기 표면층의 표면들을 활성화시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 표면처리 공정은 플라즈마 처리 공정 또는 습식 공정을 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 공정은 불활성 가스 또는 산소 가스를 플라즈마 소스 가스로 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 습식 공정은
    수산화 암모늄(ammonium hydroxide; NH4OH), 과산화수소(hydroperoxide; H2O2) 및 탈이온수(DI water)의 혼합용액(mixture) 또는 염산(hydrochloride; HCl), 과산화수소(hydroperoxide; H2O2) 및 탈이온수(DI water)의 혼합용액(mixture)을 사용하여 상기 절연층 및 상기 표면층을 세정하고,
    상기 세정된 절연층 및 상기 세정된 표면층을 불산용액을 사용하여 활성화시키는(activate) 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층을 상기 표면층에 본딩시키는 것은 100℃ 내지 600℃의 제1 온도에서 열처리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키는 것은 200℃ 내지 900℃의 제2 온도에서 열처리하는 것을 포함하되, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 본딩된 표면층으로부터 상기 벌크층을 분리시키는 것은 대기(air), 질소 가스 또는 질소를 함유하는 대기 내에서 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 노출된 표면층을 큐어링하는 것은
    상기 노출된 표면층을 전면식각하고(blanket-etching),
    상기 전면식각된(blanket-etched) 표면층을 열처리하여 상기 전면식각된 표면층 내의 상기 불순물 이온들을 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전면식각은 건식식각 기술, 습식식각 기술 또는 화학기계적 연마 기술을 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전면식각된 표면층을 열처리하는 것은 상기 전면식각된 표면층을 600℃ 내지 1200℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 노출된 표면층을 큐어링하는 것은
    상기 노출된 표면층의 표면을 희생산화시키고(sacrificially oxidizing),
    상기 희생산화막을 제거하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출된 표면층을 큐어링하는 동안 상기 제1 반도체 기판은 냉각 스테이지에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  18. 활성영역에 해당하는 제1 영역과 필드영역 또는 스크라이브 레인 영역에 해당하는 제2 영역을 갖는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 상기 제1 영역에 형성된 하부 개별소자;
    상기 하부 개별소자 및 상기 반도체 기판을 덮는 절연층;
    상기 절연층을 관통하여 상기 제2 영역 내의 상기 반도체 기판에 접촉하는 열전도성 플러그; 및
    상기 열전도성 플러그 및 상기 절연층 상에 적층된 단결정 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하부 개별소자는 상기 반도체 기판을 바디층으로 사용하여 형성된 벌크 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 열전도성 플러그는 금속 플러그 또는 반도체 플러그인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  21. 삭제
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층을 바디층으로 사용하여 형성된 상부 개별소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 상부 개별소자는 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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